无碰撞磁场重联驱动的湍流研究

Magnetic reconnection and turbulence are ubiquitous energy conversion phenomena in space physics, astrophysics and laboratory plasma physics. Magnetic reconnection and turbulence are usually closely related with each other. For example, turbulent magnetosheath plasma involves reconnection, while reconnection occurring on Earth’s magnetosphere usually evolves into turbulence. Understanding the collisionless reconnection driven turbulence is crucial for understanding the energy dissipation of reconnection, and also valuable for space weather study and forecast. This project will combine multiple magnetospheric satellite missions (MMS etc), and newly developed Particle-In-Cell simulation and MHD-iPIC3D simulation, to study the turbulence driven by collisionless reconnection. We attempt to reveal the properties and evolution of turbulence associated with reconnection, and the feedbacks of turbulence to the reconnection process. The main research contents are as following: (i) the properties of turbulence in the dissipation scale. Such as whether the turbulence follows the dispersion relation of any waves? Does the turbulence contain sub-ion scale coherent structures? Whether the turbulence energy is dissipated through wave-particle interactions or through other processes? (ii) The meso- and large-scale evolution of turbulence. (iii) Does the turbulence affect the reconnection rate, energy dissipation rate, plasma heating and acceleration rate?

磁场重联和湍流是空间物理、天体物理和实验室等离子体物理中常见的能量转换现象。磁场重联和湍流往往紧密联系在一起，如磁鞘湍流中会发生磁重联，而发生在地球磁层的磁重联往往演化成湍流态。理解磁重联过程中驱动的湍流，对于理解无碰撞磁重联的能量耗散有重要意义，对于空间天气学的研究和空间天气预报也有重要科学价值。本项目拟利用磁层多个卫星计划（MMS等），结合最新开发的粒子网格模拟和磁流体力学-全粒子耦合模拟，研究无碰撞磁场重联驱动的湍流，旨在揭示伴随无碰撞磁重联的湍流的特征和演化，以及湍流在磁重联过程中所起的作用。本项目的主要研究内容包括：(一) 湍流在耗散尺度内的特征。如湍流是否满足某种波动的色散关系？湍流是否包含有亚离子尺度的相干结构？湍流的能量耗散是通过波粒相互作用还是其他方式完成？(二) 湍流在中大尺度时空上的演化特征。（三）湍流是否影响重联率、能量耗散速率、粒子加热和加速率等参数？

磁场重联和湍流是空间等离子体中最常见的能量转换现象。磁场重联和湍流往往紧密联系在一起，如磁鞘湍流中会发生磁重联，而发生在地球磁层的磁重联往往演化成湍流态。本项目利用MMS卫星提供的前所未有的高分辨率观测数据，重点研究了无碰撞磁重联驱动的湍流的基本特性以及湍流对于磁重联的影响。主要研究成果包括：(i) 发现磁重联驱动的湍流中存在大量相干结构，如电流片、磁通量绳、磁洞等，在一些电流片中还发生了电子尺度的次级磁重联，这些相干结构对于磁重联过程中的能量耗散可能起重要作用；(ii) 发现磁重联驱动的高速流存在多重分形的湍流，而且湍流间歇性的强度与快速流的峰值速度有很好的对应关系；(iii) 首次在湍动磁重联扩散区中发现了电子Kelvin-Helmholtz不稳定性，该不稳定性产生涡旋并扭曲磁力线，诱发次级磁重联，导致了次级磁通量绳的产生；（iv）量化研究了小尺度磁通量绳中的电子加速机制，直接证明了离子尺度磁通量绳可以有效加速电子。本项目取得的研究成果有助于我们更为全面的理解湍动磁重联，对于空间等离子体的研究和空间天气的预报有重要的科学意义。本项目严格按照计划书实行，进展顺利，共发表SCI期刊收录论文23篇，并在此基础上申请获批国家自然科学基金面上项目一项，并获得地球物理学会傅承义青年科技奖和亚太物理学会40岁以下青年科学家奖。